Урок 5

Введение

Похожие по своим химическим свойствам, железо и марганец являются близнецами-нарушителями спокойствия и дома, и в промышленной сфере. И даже там, где их концентрация в воде низка, их нельзя игнорировать. Железо представляет собой большую проблему, но исключительно из-за своей большей распространенности.

Присутствие железа самого по себе или в комбинации с марганцем вызывает появление пятен. В этом уроке мы рассмотрим эти элементы вместе.

5 Железо и марганец

 Проблемы с водой, содержащей железо

Если вода содержит железо, это очень легко заметить. «Железная вода» легко окрашивает водопроводную арматуру, керамику и кухонные принадлежности. При использовании такой воды для стирки, она будет оставлять на вещах красновато-коричневые пятна. «Железная вода» также оставляет свои красноречивые отметины на стенах и полах при ее использовании для уборки помещений.

Если железную воду не подвергать очистке, это может привести к серьезным проблемам в промышленности. Фактически, нет ни одного «влажного» процесса, который можно выполнить успешно с водой, содержащей железо.

Железо придает воде неприемлемый металлический привкус. И даже если количество железа в воде невелико, она приобретает неприятное, слегка вяжущее свойство. Естественно, когда железо присутствует в обнаружимом количестве, оно может испортить вкус чая, кофе и алкогольных напитков. А комбинация растворимого железа и некоторых составляющих напитков придает им неаппетитный, чернильно-черный цвет.

Вторичные стандарты качества питьевой воды Агентства США по охране окружающей среды рекомендуют максимальное содержание железа (Fe) на уровне 0,3 мг/л (ppm) и максимальное количество марганца (Мn) на уровне 0,05 мг/л (ppm) из-за окрашивания, которое могут вызвать более высокие концентрации.

В нерастворимой форме железо может образовывать отложения в напорных баках, трубопроводах, водонагревателях, унитазах и любом другом оборудовании, использующем воду.

Проблемы с железом сами по себе либо в комбинации с другими проблемными состояниями воды часто возникают из-за того, что около пяти процентов земной коры состоит из железа. И хотя оно и не встречается в чистом виде, железные руды встречаются часто и широко распространены на земле.

Известны случаи, когда концентрация железа превышает 60 мг/л. Однако, чаще всего в источнике водоснабжения присутствует не более 5 мг/л железа. К сожалению, железо в воде становится настоящим источником беспокойства для домашних хозяйств, когда его уровень не превышает даже 0,3 мг/л. Для многих промышленных нужд, критическим уровнем содержания железа является 0,1 мг/л.

Железо попадает в воду несколькими путями. Даже во время падения на землю вода захватывает небольшое количество оксидов железа из атмосферной пыли. Вода, богатая на углекислый газ, во время своего протекания под землей легко вымывает железо, находящееся в многочисленных залежах. 

 

Эта ванна является примером того, как железо окрашивает различные поверхности. Не очень привлекательный вид! При наполнении ванны, вода, содержащая растворимое железо, чиста и бесцветна. Но когда она соприкасается с воздухом, железо образует студенистый осадок. От пятен, появляющихся в результате этого, очень трудно избавиться. Ванна на фотографии — прямое этому доказательство!

Формы железа

Железо существует в трех основных формах — элементное металлическое железо, двухвалентное железо (Fe⁺⁺) и трехвалентное железо (Fe⁺⁺⁺). Двухвалентное железо обычно встречается в артезианской воде. Там оно присутствует благодаря растворимости бикарбоната двухвалентного железа, как результат воздействия углекислого газа на залежи железа в земле.

Железо остается в этой растворимой двухвалентной форме до тех пор, пока вода остается под землей, где очень мало кислорода. Углекислый газ часто встречается там, где высока концентрация железа, но это не обязательно так. Когда эта железонесущая вода только поступает на поверхность земли, она обычно чиста и бесцветна и имеет заметный привкус железа. После аэрации или воздействия воздуха в воде появляется молокоподобная муть, которая скоро принимает красновато-коричневый цвет.

В химических терминах происходящее можно описать так: под воздействием воздуха, по мере того, как из воды высвобождается углекислый газ, в воду проникает молекулярный кислород. Он окисляет ионы двухвалентного железа (Fe⁺⁺) и преобразует их в ионы трехвалентного железа (Fe⁺⁺⁺). После этого, ионы
трехвалентного железа объединяются с ионами гидроксила (ОН^-) и образуют нерастворимое студенистое соединение — гидроксид трехвалентного железа [Fe(OH)₃]. При соединении до этого отдельных молекул, вода приобретает характерный ржавый цвет (ее часто называют «рыжей водой» или «ржавой водой»). В конце концов, студенистый осадок гидроксида трехвалентного железа оседает на дно емкости. Вот таким образом растворимые ионы двухвалентного железа приобретают форму нерастворимого гидроксида трехвалентного железа. Явный железный привкус воды, содержащей ионы двухвалентного железа, заметно усиливается по мере того, как двухвалентное железо переходит в трехвалентное состояние.

Фактически, железо может присутствовать в источниках воды в следующих формах: (1) растворимые ионы двухвалентного железа; (2) ионы трехвалентного железа, растворимые в очень кислой воде; (3) гидроксид трехвалентного железа, нерастворимый в нейтральной или щелочной воде; (4) оксиды трехвалентного
железа, появляющиеся из водопровода в виде частиц ржавчины; (5) в комбинации с органическими соединениями или железобактериями.

В большинстве случаев в подземных водах железо присутствует в двухвалентном состоянии (бесцветное и растворимое). При окислении железа под воздействием воздуха, оно обычно осаждается. Поэтому его редко находят в поверхностных источниках водоснабжения.

Если в поверхностных водах находят железо, очень вероятно, что вода крайне кислая. Возможно также, что железо находится в составе различных сложных молекул, устойчивых к окислению. В некоторых поверхностных водах железо может присутствовать в органической (хелатной) форме. Такая вода обычно
содержит довольно много цветной коллоидной мути, которая не оседает и которую трудно удалить с помощью фильтрации. К сожалению, органическое железо может причинять неприятности, хотя в его удалении и был достигнут значительный прогресс.

Хелатировать. Объединять в комплексную молекулу, имеющую высокую устойчивость благодаря своему                               молекулярному строению.

Железобактерии

Железобактерии часто обитают в железонесущей воде. По мере своего развития, эти бактерии образуют красновато-коричневые скопления, которые могут засорять трубы и уменьшать скорость потока воды. Когда эти бактерии разлагаются, это может придавать воде неприятный вкус и запах и часто вызывать крайне необычную окраску воды, когда их слизистые скопления вырываются комками под сильным напором воды. Железобактерии развиваются и в темноте, и при свете, но чаще всего их находят в смывных бачках туалетов.
Им нужна вода, в которой присутствует необходимое количество ионов двухвалентного железа и свободного кислорода. И хотя они растут и в культурах, не содержащих железа, для их развития лучше всего подходит железонесущая вода. Среди самых распространенных железобактерий и марганцевых бактерий
— Crenothrix, Gallionella и Leptothrix.

Crenothrix. Это название часто ошибочно распространяют на все железобактерии или марганцевые бактерии. За годы исследований было выявлено и изучено более 18 видов железобактерий и марганцевых
бактерий. Однако недавнее исследование показало, что некоторые из этих видов являются просто разными формами одних и тех же бактерий. Это же исследование показало, что разные формы бактерий развиваются по-разному в разных условиях. Наиболее распространенная классификация этих бактерий включает следующие виды:

а) Gallionella;

б) Crenothrix;

в) Leptothrix.

Один из авторитетных ученых, изучающих железобактерии, утверждает, что, несмотря на долгие поиски Crenothrix, доказательств существования этого отдельного вида бактерий так и не было найдено.
Этот же ученый говорит, что, судя по всему, все железобактерии, по сути, являются формами Gallionella или Sphaerotilus, в том числе железобактерии, за которыми закрепились названия Crenothrix и Leptothrix.

Как видно из этого краткого комментария, железо в воде может содержаться в разных формах, что может быть вызвано самыми разными причинами. Удалить железо из воды будет нетрудно, как только будет точно установлен фактор, вызывающий его наличие. Меры по водоподготовке иногда представляют собой трудности только потому, что не всегда просто определить первопричину проблемы, а также потому, что принципы функционирования определенных типов оборудования могут быть не очень понятными.

Чтобы определить правильные меры по удалению железа, нужно быть немного сыщиком. Железо, как мы видели, может присутствовать в воде в двухвалентной или трехвалентной форме. Кроме того, это может быть результат коррозии. Проблема, по большому счету, также может возникнуть благодаря присутствию железобактерий. Таким образом, из-за сложности проблемы железонесущей воды, методы водоподготовки в этом случае выбрать трудно. Выбор мер будет зависеть от причины присутствия железа и от качественных
характеристик воды. Различные методы водоподготовки мы обсудим в ходе этого урока.

Марганец

Марганец в источнике воды редко встречается один. Часто его находят в железонесущих водах, но встречается он реже, чем железо. В химическом смысле его можно назвать родственником железа, поскольку его находят в очень похожих формах. Когда в воде присутствует марганец, он причиняет такое же беспокойство, как и железо, а может даже и большее. Уже при низких концентрациях он является причиной появления очень нежелательных пятен на всем, с чем бы он ни соприкасался. В трубах накапливаются марганцевые отложения, и вода из крана из-за осажденного марганца может содержать черный осадок и муть. Если в воде, в которой есть марганец, постирать ткань, на ней из-за окисления марганца могут образоваться темно-коричневые или черные пятна.

Как вы помните, Вторичные стандарты качества питьевой воды Агентства США по охране окружающей среды рекомендуют максимальное содержание марганца (Мn) на уровне 0,05 мг/л (ppm) из-за окрашивания, которое он вызывает. Для многих промышленных нужд такое ограничение составляет 0,01-0,02 мг/л. А в некоторых случает даже такое содержание считается избыточным.

Из-за того, что растворенный марганец окисляется медленнее железа, его труднее удалить из воды путем окисления и фильтрации.

Чистый элементный марганец — это металл серого с оттенками розового цвета, хрупкий, немного тверже железа, которое он напоминает. В чистом металлическом виде в природе не встречается. Однако этот химически активный элемент находят во многих соединениях. В США, как и в других частях мира, имеются залежи марганца.

В воде марганец чаще всего присутствует в форме иона двухвалентного марганца (Мn⁺⁺). Соли марганца, в основном, лучше растворяются в кислой, чем в щелочной воде. В этом он похож на железо. Ион двухвалентного марганца обычно попадает в воду через растворение бикарбоната марганца (II).

Кроме того, некоторые поверхностные воды и неглубокие скважины содержат органические или коллоидные марганцевые соединения. Марганцевые бактерии также вызывают проблемы, сходные с проблемами, вызываемыми железобактериями — засорение, окрашивание и т.д. 

Коллоидный. Содержащий или относящийся к коллоидам, т.е. частицам приблизительно такого же размера, как вирусы (0,01-0,1 микрона). Эти частицы больше молекул, но при этом достаточно малы, чтобы находится в жидкости во взвешенном состоянии и не оседать. Наличие коллоидов в жидкости не влияет на точку замерзания, точку кипения или упругость пара этой жидкости.

Взвесь нерастворимого гидроксида трехвалентного марганца, известная под названием «черная вода», хотя встречается и не очень редко, все же распространена меньше. Возможно, это потому, что для осаждения гидроксида трехвалентного марганца pH должен быть намного выше, чем для образования гидроксида трехвалентного железа.

Гидроксид трехвалентного марганца в растворе бесцветен. Результатом является то, что неаэрированные воды из глубоких скважин, содержащие ионы трехвалентного марганца, сразу после подъема на  поверхность являются прозрачными. Под воздействием воздуха чистые растворимые ионы трехвалентного

марганца преобразуются в черную нерастворимую субстанцию — диоксид марганца. Теперь начинаются неприятности. При преобразовании ионов трехвалентного марганца в диоксид марганца происходят следующие реакции:

Реакция окисления марганца 

                       

Удаление железа и марганца из воды

Как уже упоминалось ранее, марганец и особенно железо вызывают различные проблемы, вызванные различными причинами. Существует много методов водоподготовки, пригодных для удаления железа и марганца, однако не все они одинаково эффективны во всех условиях.

В самом общем виде, существует три основных метода обработки воды, содержащей эти два загрязнителя:

1. Умягчение воды посредством ионного обмена.

2. Окисление и фильтрация:

а) фильтры для удаления железа;

б) подача окислителя (хлор, перманганат калия или озон) и фильтрация.

3. Секвестрация с использованием таких веществ, как полифосфаты:

а) дозаторы «Pot»

б) дозаторы химических реагентов

Перманганат калия (КМnO₄). Темно-фиолетовое кристаллическое вещество, используемое в качестве окислителя в различных процессах. В твердом состоянии достаточно стабилен, имеет неограниченный
срок хранения при условии содержания в закрытой емкости в сухом прохладном месте.

Секвестрация. Образование сложной молекулы с ионом для предотвращения его нормальной химической реакции. Например, полифосфаты секвеструют или «связывают» двухвалентное железо и подавляют или замедляют нормальное окисление.

Полифосфаты. Группа молекулярно обезвоженных фосфатов. Обычно не имеют кристаллической структуры, и часто называются «стеклами». Полифосфаты широко используются в водоподготовке.
Они могут применяться для химического умягчения воды путем «секвестрации» жесткости, для подавления тем же способом процесса окрашивания железом и марганцем, а также для подавления коррозийных процессов путем образования тонкой стекловидной пленки на внутренних поверхностях водопроводов, водонагревателей и т.д. Полифосфаты поставляются в хорошо растворимой натриевой форме,
а также в медленно растворимых кальциевой и магниевой формах.

Указанные методы подходят для водоподготовки в случае, когда вода имеет нейтральный pH.

Если вода кислая, лучше всего подходит технология окисления и фильтрации, которая включает в себя подачу в воду окислителя и щелочи и последующую фильтрацию.

Все методы водоочистки, описанные ниже, используются для устранения проблем, связанных с присутствием железа в неподготовленной воде. Здесь мы не касались технологии подавления коррозии для устранения проблем с железом за точкой очистки. Те же методы применимы и для устранения проблем с марганцем. Вид и количество железа в источнике водоснабжения может значительно отличаться. Кроме того, необходимо принять во внимание наличие других проблем с водой.

Многое зависит от источника проблем с железом, конструкции и пропускной способности соответствующего оборудования.

Ионный обмен

Использование умягчителя воды — это хороший метод удаления ограниченного количества железа из поступающей воды. Однозначно сказать, сколько железа может быть удалено, нельзя. Ответ в каждом отдельном случае будет зависеть от конструкции умягчителя, а также от других факторов. Производители умягчителей обычно устанавливают предельные нормы для своего оборудования на основе своего опыта с конструкцией оборудования, а также на основе характеристик воды в данном регионе, таких как pH.

Ионообменники удаляют ионы железа (II) точно так же, как они удаляют ионы кальция и магния.

Некоторые эксперты полагают, что этот вид оборудования может эффективно удалять ионы двухвалентного железа в количествах, сравнимых с количеством катионов жесткости, которые можно удалить из воды. Другие уверены, что такое оборудование следует использовать только там, где количество железа
невелико, например, менее 5 мг/л (ppm).

Давайте с помощью нашей блочной методики посмотрим, что происходит, когда железо удаляется из воды с помощью ионного обмена.

Пояснение процесса ионного обмена
с участием двухвалентного железа

           

Если вода содержит ионы двухвалентного (растворимого) железа и ионы жесткости, все они могут быть удалены с помощью ионного обмена с использованием натрия. (Для упрощения ионы кальция и магния в жесткой воде не показаны).

В процессе удаления железа, во время циклов умягчения и солевой регенерации проходят те же реакции, что и в процессе умягчения.

ПРИМЕЧАНИЕ. Если имеется расчетная частота регенерации умягчителя, а в воде присутствует значительное количество железа, этот фактор необходимо принять во внимание (обычно прибавляют 3-5 грейнов жесткости на галлон (51,3-85,5 мг/л) на каждую миллионную долю (ppm) железа). Ни в коем случае нельзя допускать полной выработки ресурса умягчителя. Иногда допускают выработку ресурса только наполовину или на три четверти до запуска процесса регенерации, чтобы предотвратить затвердевание железа в виде осадка и загрязнение ионообменной смолы.

ПРИМЕЧАНИЕ. Некоторые производители устанавливают отдельную паспортную производительность для железа. В таких случаях вы устанавливаете частоту регенерации на основе меньшего числа галлонов, рассчитанного как сумма производительностей по жесткости и по железу. Проверенный метод при использовании анионообменного умягчителя воды для удаления железа — регенерируйте часто и долго.

Если бы железо в источниках водоснабжения оставалось в растворимой двухвалентной форме непосредственно перед и во время прохождения через умягчитель (как в случае с ионами магния и кальция, придающими воде жесткость), удаление железа было бы более эффективным и удовлетворительным.

Однако на самом деле большинство железонесущих вод наряду с растворимым двухвалентным железом содержат некоторое количество нерастворимого трехвалентного железа. Это окисление железа может быть вызвано контактом воды с воздухом во время выкачки или во время ее хранения в напорных баках, в которых имеется доступ воздуха. Если вода содержит железо, необходимо использовать герметичные напорные баки для предотвращения контакта воздуха и воды.

В любом случае, какое-то количество железа может стать нерастворимым до того, как оно попадет в умягчитель, или уже в умягчителе. Этот нерастворимый гидроксид трехвалентного железа может быть удален простой фильтрацией параллельно с процессом умягчения. Но такое удаление представляет одну серьезную проблему. Неприятности начинаются, когда этот гидроксид железа (III) начинает осаждаться в пустотах слоя ионообменной смолы. Хуже того, гидроксид железа (III) (студенистая субстанция) может обволакивать зернышки смолы. Если такого покрытия будет достаточно много, оно может полностью остановить обмен между ионами минералов жесткости и натрия.

Пустоты. Небольшое пространство между частицами ионообменной смолы в ионообменном материале.

Запомните: производительность и эффективность работы умягчителя зависят от того, насколько тесно вода соприкасается со всей площадью всех ионообменных частиц в слое смолы.

Какое-то количество этого гидроксида железа (III) удаляется из умягчителя,когда производится его обратная промывка. В то же время, некоторое количество осевшего железа собирается и формирует крупные частицы, которые во время обратной промывки могут проникнуть на поверхность, на которой расположен слой ионообменного материала. Это может вызвать падение давления и связанные с этим сложности.

Чем лучше фильтрация, тем эффективнее устройство удаляет осажденное железо. Хорошая фильтрация зависит от размеров частиц смолы, толщины и объема слоя ионообменного материала и рабочей скорости потока воды через слой. Чем меньше щели между частицами ионообменника и чем толще (в определенных пределах) слой, тем лучше устройство будет фильтровать осажденное железо, но тем сильнее будет падение давления.

Падение давления. Потеря давления воды между вводом и выводом умягчителя.

Очистка слоя ионообменной смолы

Предположим, что все эти условия соблюдены наилучшим образом и обеспечивают хорошую фильтрацию. Следующим условием будет необходимость содержание слоя ионообменной смолы в чистоте. Чистота ионообменного слоя будет зависеть от того, насколько часто и тщательно проводится обратная промывка. Появление полностью автоматических устройств вызвало заметное улучшение в очистке определенных видов железонесущих вод, поскольку в таких устройствах обратная промывка и регенерация проводится часто. (Примечание: не все автоматические умягчители могут быть использованы для очистки железонесущей воды). Если программа регенерации правильно настроена, осевшему железу может не хватить времени закрепиться на постоянной основе в слое смолы.

В качестве меры предосторожности в плане поддержания чистоты ионообменного слоя, будет нелишним периодическое применение химического очистителя вместе с солью в процессе регенерации. Некоторые производители рекомендуют «превентивную обработку» во время каждой регенерации. Для этого они предлагают подавать очистители слоя вместе с солью. Для удаления отложений железа используются слабые или видоизмененные кислоты, гидросульфит натрия и другие реагенты. Однако неразборчивое использование некоторых из этих веществ может вызвать другие проблемы. В любом случае, необходимо проконсультироваться с производителем. Если слой в умягчителе засорен большим количеством железа, рекомендуется обратиться в сервисную организацию.

Сколько железа может удалить умягчитель? По этому поводу есть разные мнения, которые вам нужно принять во внимание, учитывая ваше оборудование и местные условия.

Способность умягчителя сопротивляться загрязняющему воздействию железа, особенно в трехвалентной гидроксидной форме, зависит от конструкции прибора, типа ионообменного материала, условий эксплуатации, включая pH, мутность, наличие органического материала и других факторов, касающихся воды.

Когда содержание железа превышает максимум, установленный производителем, необходимо применять другие методы очистки.

Окислительные фильтры

При средней концентрации железа, если при этом pH составляет 6,8 и более, самым эффективным способом очистки может быть использование окислительного фильтра. Такие фильтры устанавливаются в систему подачи воды перед умягчителем. Окислительные фильтры обычно состоят из некоторого основания, покрытого диоксидом марганца. Это может быть глауконитовый песок, обработанный марганцем, синтетический марганцевый материал, природные марганцевые минералы и т.п. Эти марганцевые оксиды превращают растворимое двухвалентное железо, находящееся в воде, в трехвалентную форму. Когда образуется гидроксид трехвалентного железа, он отфильтровывается гранулярным материалом в фильтрующем слое бака. Естественно, необходима периодическая обратная промывка для удаления осажденного железа из устройства. Немного реже нужно производить регенерацию фильтрующего слоя.

Когда в фильтре накапливается избыточное количество железа, необходимо провести регенерацию. Сначала осуществляют обратную промывку для удаления осажденного железа. Для тщательной обратной промывки плотного
марганцевого материала необходимо использовать значительное количество воды. За этим нужно строго следить, поскольку очень важно надежно удалить отфильтрованное железо.

Частота обратной промывки разных фильтрующих материалов различна. В основном, это нужно делать чаще, чем в случае с умягчителями. Если выбраны такие фильтры, необходимо сначала проверить источник водоснабжения и убедиться, что для обеспечения правильной обратной промывки в наличии имеется достаточное количество воды, и скорость ее потока также достаточна. Это очень важно для любого фильтра. Следующий шаг в регенерации — подача через фильтрующий слой раствора окислителя, такого как перманганат калия, для повторного окисления и восстановления диоксид-марганцевого покрытия материала основания фильтра. После промывки он снова готов к эксплуатации.

Окисление и фильтрация

Если в воду подать раствор окислителя (например, хлора (в форме гипохлорита, бытового отбеливателя), озона, пероксида водорода или перманганата калия), из воды может быть удалено все железо. Этот метод особенно подходит, если железо находится в соединении с органическим материалом, если присутствуют железобактерии или если концентрация железа слишком высока для обычной очистки.

Примечание 1.

Растворы отбеливателя и перманганата нужно готовить еженедельно, поскольку они не являются постоянно стабильными в растворе. В результате могут появляться отклонения в подаче раствора, т.к. концентрация раствора со временем постепенно уменьшается.

Примечание 2.

Чтобы определить необходимую концентрацию подаваемого в систему раствора отбеливателя, необходимо знать следующее: 

(1) производительность скважинного насоса в галлонах в час; 

(2) производительность насоса-дозатора химических реагентов в галлонах в час (в регулируемых насосах производительность, если возможно, следует установить в середине рабочего диапазона, что позволит производить подстройку в обоих направлениях); 

(3) желаемый объем подачи хлора в миллионных долях (ppm или мг/л); 

(4) недельное потребление воды в доме. 

 
Концентрация хлора в отбеливателе, содержащем 5,25% гипохлорита, составляет 52 500 мг/л (ppm). Поэтому:

                    

Для примера предположим, что производительность скважинного насоса составляет 300 галлонов/час, производительность насоса-дозатора химических реагентов — 30 галлонов/день, но установлена на 15 галлонов/день (или 0,625 галлона/час), желаемый объем подачи хлора — 4 мг/л (ppm), в неделю потребляется 2000 галлонов воды. Тогда:

                       

                 

Поэтому:

           

Для обеспечения резерва раствора целесообразно в данном случае довести цифру до 5 галлонов. Долейте до 25 унций отбеливателя (5 унций на галлон х 5 галлонов) мягкую воду (по возможности) так, чтобы довести объем раствора до 5 галлонов. При необходимости отрегулируйте производительность насоса-дозатора химических реагентов, чтобы подкорректировать концентрацию.

Примечание З. Перманганат.

          

Пример. Производительность скважинного насоса — 300 галлонов/час, производительность насоса-дозатора химических реагентов установлена на 15 галлонов/день (или 0,625 галлона/час), желаемый объем подачи перманганата — 20 мг/л (ppm), в неделю потребляется 4000 галлонов воды. Тогда:

           

                      

Таким образом, нужно растворить 11,5 унций (1,28 унций х 9) перманганата калия в 9 галлонах воды.

Примечание 4.

Растворы гипохлорита натрия стабильны только в случае, если они имеют высокую щелочность. Фактически, в процессе производства свободный хлор соединяется с гидроксид-ионами: Сl₂ + 2OН^- → Н₂О + Сl^- + СlO^-. Когда раствор гипохлорита добавляется в воду и щелочность нейтрализуется, хлор высвобождается. Этот процесс ускоряется при повышении кислотности. То есть, окисли- тельная способность хлора высвобождается быстрее при низких значениях pH.

Перманганат калия — это сильный окислитель, действующий при разных значениях pH. В нейтральных или щелочных растворах перманганат восстанавливается до нерастворимого диоксида марганца Мп0₉. Однако, в очень кислой воде при значениях pH 4 и ниже, он может быть восстановлен вплоть до иона двухвалентного марганца Мn⁺⁺. Таким образом, если выбран этот окислитель, необходимо принимать во внимание уровень pH воды.

Примечание 5.

Если присутствует органическое или хелатное железо, время контакта и для хлора, и для перманганата должно быть значительно увеличено. Точное количество времени рассчитать, к сожалению, невозможно, и его нужно корректировать на экспериментальной основе.

Для этого используется разные типы насосов-дозаторов химических реагентов, в том числе поршневые насосы прямого вытеснения, эжекторы и несколько видов всасывающих устройств.

Как и диоксид марганца в фильтре для удаления железа, окислители преобразуют трехвалентное железо в двухвалентную форму. Осевшее железо затем удаляется из воды фильтрацией.

Если в качестве окислителя используется хлор и время контакта достаточно, то из воды не только будет удалено все железо, а она еще и будет продезинфицирована. Для удаления осевшего железа, а также избыточного хлора широко используются фильтры с активированным углем. Для удаления осадка железа при подаче перманганата калия обычно используют фильтры для удаления железа.

При использовании данного метода очистки воды окислитель должен подаваться в воду перед накопительным баком. В нормальных условиях накопительный бак или подобный резервуар служит для обеспечения необходимого времени контакта, а также для тщательного смешивания окислителя с водой.

Примечание 6.

Для осаждения железа и марганца, должен быть обеспечен достаточный уровень щелочности. Осадок этих проблемных металлов образует кислоту, и если щелочность будет недостаточной, чтобы нейтрализовать кислоту, это предотвратит полное оседание. Рекомендуется, чтобы общая щелочность была на уровне 100 мг/л (6 гейнов на галлон). Повышения щелочности можно добиться подачей щелочи, например, кальцинированной соды (Na₂CO₃) или пред- шествующим процессом удаления железа и марганца с помощью кальцитного нейтрализующего фильтра. Кроме того, pH воды на входе должен быть выше 6,5 независимо от щелочности (рекомендуемые значения pH — выше 7).

Если в воде присутствует обычное двухвалентное железо, оно может быть немедленно отфильтровано сразу после того, как вода вытекает из накопительного бака.

Если в воде есть железобактерии, используются два подхода. В первом случае используется короткое время контакта при высокой концентрации хлора для уничтожения бактерий. Этот подход во многом зависит от фильтра, который должен удалить погибшие бактерии вместе с осажденным железом. При этом возможно, что окисление бактерий будет продолжаться и в слое фильтра.

Второй подход предусматривает более длительное время контакта, обычно при низкой концентрации либо хлора, либо перманганата, чтобы добиться более полного окисления бактерий еще до прохождения фильтра. Как показывает практика, оба метода широко и успешно применяются.

Ученые, занимающиеся проблемами очистки воды, обнаружили, что одной из наиболее проблемных форм железа является органическое (хелатное) железо. Его невозможно удалить более простыми методами, поскольку в этой форме оно «встроено» в органический материал, который связывает железо в неионной форме и который является необычайно стойким к окислению. Поэтому ни умягчители, ни фильтры для удаления железа не смогут эффективно удалить такое железо.

Часто единственным ответом на присутствие органического железа является подача сильных окислителей и длительное время контакта. В некоторых случаях эффективными будут высокие концентрации хлора, однако некоторые специалисты ссылаются на свой опыт, свидетельствующий, что для большинства вод перманганат калия превосходит хлор в окислении железа. Ключевым моментом
в данном процессе, несомненно, является обеспечение достаточного времени контакта между окислителем и органическим веществом для полного осуществления реакции. К сожалению, время нельзя установить без тестирования на практике, но в большинстве случаев необходим контакт от 20 до 30 минут.

Если обеспечить необходимые условия, данный вид обработки воды дает отличный результат независимо от количества железа в воде. В зависимости от того, сколько образуется шлама, необходимо позаботиться и обеспечить частую обратную промывку, что поможет содержать в чистоте фильтрующий слой. В некоторых случаях предусматривают накопительные баки или отстойники, чтобы уменьшить шламовую нагрузку на фильтр. Более детально работу насоса-дозатора химических реагентов мы рассмотрим позже в этом уроке.

Секвестрация

Кроме уже рассмотренных, имеется и несколько других методов контроля содержания растворимого железа в воде. В них для удержания железа в растворе используются полифосфаты.

Полифосфаты не удаляют железо из воды. Они, скорее, стабилизируют и рассеивают железо так, что вода остается чистой и не производит железных пятен.

При этом обработка воды полифосфатами может не предотвратить оседание железа, если воду какое-то подвергать нагреванию, например, в водонагревателе, при приготовлении пищи, чая или кофе. Это происходит потому, что нагревание может вызвать обратное преобразование полифосфатов в ортофосфаты,
которые не обладают способностью секвестрации.

Ортофосфат. Простое фосфатное соединение, в котором имеется только одна фосфатная группа (РO₄^---) на молекулу. Полифосфаты, напротив, могут содержать много таких групп в одной молекуле.

Обработка воды полифосфатами также оказывает рассеивающее действие на застаревшие отложения железа в баках и трубах. Это является преимуществом, но проблемы с железом при этом могут временно усилиться, поэтому потребуется частый слив напорных бачков и баков для горячей воды, пока застаревшие
отложения железа не будут удалены.

Такая обработка, однако, не подходит для удаления железа в городских источниках водоснабжения в точках использования, поскольку железо может частично или полностью осесть и стать нерастворимым до того, как оно

Поршневой насос прямого вытеснения

Цилиндрический дозатор реагентов

попадает в дома. Полифосфаты неэффективны при контроле уровня осевшего железа, органического железа или железобактерий.

Растворы хорошо растворимых полифосфатов натрия могут подаваться в воду с помощью разнообразных насосов-дозаторов химических реагентов. В основном, они добавляют раствор, только когда работает скважинный насос, поэтому можно добиться достаточно стабильной дозировки. Начальная стоимость насоса-дозатора, можно сказать, является его недостатком. Но преимуществом может быть то, что таким насосом можно подавать несколько растворов и, таким образом, решать сразу несколько проблем.

Простой фосфатный картриджный фильтр или фосфатный дозатор — это менее дорогостоящие устройства. В них используются полифосфаты, в состав которых обычно входит кальций или магний, позволяющие сделать процесс растворения медленным и равномерным.

Дозатор или фильтр устанавливается в систему так, что вся вода или ее часть проходит через фильтр или бак дозатора. Вода захватывает раствор полифосфата и переносит его в водопровод.

Поскольку потребление воды в доме непостоянно, подача через такие фильтры или дозаторы иногда вызывает передозировку, а также пониженную дозировку реагента. Чтобы обеспечить правильную подачу в любое время, часто скорость подачи устанавливают немного выше, чем требуется для получения нужной концентрации. Напорный или накопительный (выравнивающий) бак может помочь выровнять колебания в скорости подачи, которые могут возникать при разных режимах потребления воды.

Для поддержания прозрачности воды и предотвращения окрашивания железом полифосфаты необходимо вводить в воду там, где железо еще присутствует в растворенном виде. Это необходимо делать перед напорным или накопительным (выравнивающим) баком и как можно ближе к выходному отверстию.

Комментарии

Все методы, о которых было рассказано выше, разработаны для удаления железа из воды, имеющей нейтральный уровень pH, за исключением полифосфатов, эффективных при уровне pH от 5,0 до 8,0. Если вода кислая, рекомендуется применять следующие методы:

• при низких значениях pH допустимо использование ионообменного умягчителя;

• высокие уровни железа и кислотности требуют применения нейтрализующего кальцитного фильтра или системы подачи щелочи, системы подачи сильного окислителя и фильтра.

Одной из наиболее полезных технологий является обработка воды щелочью, такой как кальцинированная сода, с целью повышения уровня pH кислой воды, а также хлором для осаждения железа. При этом одновременно может использоваться обычный угольный фильтр для удаления из воды нерастворимого железа.

Альтернативным методом может быть обработка воды щелочью для уменьшения кислотности и глауконитовым песком для очистки воды от железа.

Если, несмотря на правильную обработку, ржавая вода и окрашивание продолжают проявляться, скорее всего, за это отвечают железобактерии или коррозия. Даже там, где содержание железа невелико, железобактерии могут питаться железом и откладывать его в своих капсулах. Кроме того, железобактерии могут поглощать железо стальных труб. Иногда скопление бактериальной пленки отрывается и вызывает выброс крайне мутной воды.

Присутствие железобактерий можно определить с помощью микроскопа. Иногда также это может подтвердить наличие слизеподобных красновато-коричневых образований в сливных бачках туалетов.

Для уничтожения бактерий обычно используют хлор в форме раствора гипохлорита натрия. Однако необходимо также установить фильтр для удаления погибших, полных железа, бактерий из воды.

Следующая процедура эффективна для уничтожения железобактерий непосредственно в водопроводе. Ее можно использовать по мере необходимости, но в первую очередь ее рекомендуют, когда предпринимаются меры для предотвращения дальнейшего появления бактерий:

1. Влейте приблизительно полгаллона гипохлорита натрия (отбеливателя) в скважину. Иногда это можно сделать через отдушину. В других случаях, возможно, придется удалить изоляцию скважины. Слейте несколько галлонов воды, чтобы смыть отбеливатель до уровня воды, затем заизолируйте скважину снова.

2. По очереди открывайте краны в доме и сливайте воду, пока не появится явный запах хлора. Закройте кран и повторите процедуру со следующим краном. Продолжайте, пока вся система не заполнится хлорированной водой. 

3. После приблизительно 12 часов контакта, хлорированную воду необходимо тщательно слить из всей системы. При этом будет идти заметно рыжая вода. В частности, особое внимание нужно уделить промывке водонагревателя. При этом желательно произвести спуск воды.

Удаление марганца

Марганец в небольших концентрациях может быть удален с помощью умягчителя. Более высокие концентрации довольно успешно удаляют с помощью окислительных фильтров. Если концентрация марганца очень высока, либо если марганец присутствует в органических соединениях, необходимо химическое
окисление, как в случае с железом, и последующая фильтрация.

Примите во внимание, что хлор не окислит марганец полностью, при уровнях pH выше 9,5, тогда как перманганат калия эффективен при pH выше 7,5. Поэтому в большинстве случаев предпочтительнее использовать перманганат калия.

Дозаторы химических реагентов

Подачу реагентов в систему водоснабжения для целей водоподготовки можно осуществлять с помощью нескольких видов дозаторов. Хлор или перманганат для окисления железа и марганца, щелочи для нейтрализации кислой воды, полифосфаты для контроля растворимого железа — все эти вещества можно
подавать с помощью дозаторов. Далее мы рассмотрим насосы-дозаторы, но те же принципы применимы к эжекторам и всасывающим устройствам, с единственной разницей в процессе установки и методе работы.

Правильная установка насоса-дозатора

Обычно насосы-дозаторы устанавливают при индивидуальном водоснабжении из скважин. Согласование насоса-дозатора и скважинного насоса обеспечивает наиболее удовлетворительный метод дозировки реагента. Если привод насоса-дозатора работает совместно со скважинным насосом, раствор в воду подается довольно равномерно.

Реагенты должны вноситься в воду перед накопительным баком или баком для хранения воды. Поскольку в большинстве своем, насосы-дозаторы действу- ют по принципу поршня с возвратно-поступательным движением, реагенты не подаются непрерывно, а поступают прерывистыми дозами в соответствии с оборотами насоса.

Неправильная установка насоса-дозатора

Напорный бак может быть идеальным смесителем, позволяющим выравнивать неравномерную подачу, являющуюся результатом пульсаций насоса. Для обеспечения хороших результатов вся вода должна пройти через бак. Кроме того, ввод и вывод должны быть расположены так, чтобы по возможности избежать прямого течения воды через устройство. Для этого присоедините вывод и ввод на противоположных сторонах бака и на разных уровнях. Целесообразно отдельно от ввода и вывода в баке установить сливной кран для периодической промывки бака с целью удаления шлама.

Крайне важно, чтобы вся вода прошла через накопительный бак, как показано выше. Способ установки, показанный на стр. 111, неприемлем, так как напорный бак в этом случае остается в стороне. Вода поступает и выходит из накопительного бака по одной трубе. Смешивание недостаточное. И если краны
открыты, и насос работает, то очень вероятно, что какое-то количество неподготовленной воды поступит в домашнюю систему.

Последние испытания показали, что правильно установленные накопительные баки обеспечивают практически идеальное смешивание. Однако эти же испытания показали, что из-за сильной предрасположенности к «закорачиванию» с водными потоками, нецелесообразно полагаться на накопительный бак без перегородок, если нужно обеспечить достаточное время контакта для прохождения химической реакции. Агентство США по охране окружающей среды сообщает, что накопительные баки вез внутренних перегородок, обеспечивают не более 10% контактного времени, рассчитанного делением объема на скорость потока.

Однако если нужно обеспечить достаточное контактное время, можно использовать два простых вспомогательных приспособления. Одно из них — это простой змеевик из пластиковой трубы. Второе — обычный бак, загруженный крупным гравием. Чтобы рассчитать время контакта, обеспечиваемое этими устройствами, разделите 38% от объема воды, которая помещается в баке с гравием, или 75% объема трубы в галлонах на максимальную скорость потока в системе в галлонах в минуту. В результате вы получите минимальное время контакта, обеспечиваемое данными приспособлениями, в минутах. Выбор в каждом случае будет зависеть от цен на данные устройства.

Часто, когда в воду подается два реагента, их можно смешивать и подавать из одного резервуара. Если реагенты не совместимы и их смешение может вызвать нежелательную реакцию в рабочем баке, необходимо использовать насос-дозатор с двумя раздельными головками и двумя рабочими баками. Альтернативой может быть использование двух отдельных дозаторов.

Насосы с двумя головками также могут использоваться для увеличения производительности, если производительности насоса с одной головкой недостаточно. Два насоса или две головки могут выкачивать в два раза больше реагента из одного рабочего бака.

Благодаря гибкости в применении насосов-дозаторов химических реагентов, они могут использоваться для решения разных проблем в водоподготовке. Их недостатки таковы: первоначальная стоимость, необходимость периодического приготовления растворов реагентов и первоначальный период проб и ошибок, необходимый для определения правильной скорости подачи реагентов, так как не всегда возможно точно рассчитать объем подачи.

Выводы

Вода, содержащая железо и марганец, может быть очень проблемной. При этом железо находят в воде чаще. Обычно его концентрация не превышает 5 мг/л (ppm), но известны случаи концентрации более 60 мг/л (ppm). Даже небольшие концентрации (0,3 мг/л (ppm) для железа и 0,05 мг/л (ppm) для марганца могут
вызвать значительное окрашивание белья во время стирки и сантехники. Для многих промышленных потребностей критическим уровнем является 0,1 мг/л (ppm) для железа и 0,01 мг/л (ppm)для марганца.

Наличие железа вызвано не только природными причинами (как в случае с двухвалентным и трехвалентным железом), но и из-за коррозии и железобактерий. Проблемы, вызванные присутствием в воде железа, очень разнообразны, поэтому к вопросу выбора адекватных методов водоподготовки следует подходить тщательно.

Для железа и марганца существуют многочисленные похожие технологии водоподготовки. В общем виде, они таковы:

1. Ионный обмен.

2. Окисление и фильтрация:

а) фильтры для удаления железа;

б) подача окислителя (хлор, озон или перманганат калия) и фильтрация.

3. Секвестрация с использованием таких веществ, как полифосфаты:

а) “Pot” дозаторы или фосфатные картриджные фильтры;

б) дозаторы химических реагентов.

Если вода кислая или железосодержащая, необходимо использовать нейтрализующий фильтр или подавать кальцинированную соду и окислитель, а также установить фильтр для удаления осажденного железа. Повторение этой главы поможет определить правильный метод обработки воды в различных условиях в случае, когда вода содержит железо.

Иногда, несмотря на использование наилучших методов водоподготовки, проблемы с железом не исчезают. Возможно, изучение ситуации покажет, что виной тому железобактерии. Для их удаления необходимо продезинфицировать и промыть всю водопроводную систему обильно хлорированной водой.